Снижение коэффициента искажения синусоидальности напряжения контактной сети при работе электровоза переменного тока в режиме рекуперативного торможения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.331.3

С. В. ВЛАСЬЕВСКИЙ, В. Г. СКОРИК, Е. В. БУНЯЕВА (ДВГУПС, ХАБАРОВСК, РФ)

СНИЖЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ИСКАЖЕНИЯ СИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ПРИ РАБОТЕ ЭЛЕКТРОВОЗА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

Вопросам повышения электромагнитной совместимости электровозов переменного тока с системами тягового и внешнего электроснабжения на сегодняшний день уделяется особое внимание. Одним из направлений решения данной задачи является снижение негативного влияния оборудования электровоза на качество электроэнергии в тяговой сети. Влияние электровозов проявляется в искажении синусоидальной формы напряжения, подаваемого в тяговую сеть электроснабжающей организацией. Природа этого явления заключается в том, что распределенная индуктивность и распределенная емкость контактной сети вызывают переходные колебательные процессы в системе «контактная сеть - электровоз». В результате таких переходных процессов возникают высокочастотные свободные колебания напряжения на токоприемнике электровоза с частотами 750 - 1950 Гц.

Свободные колебания напряжения на токоприемнике (см. рис.1) вызваны процессами перехода инвертора электровоза из режима проводимости в режим коммутации в момент подачи управляющих импульсов (3 на тиристоры (возникают коммутационные колебания) и обратным переходом в режим проводимости после окончания коммутации в момент (3 — у (возникают послекоммутационные колебания).

Возникновение высокочастотных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза в процессе сетевой коммутации объясняется тем, что во время подачи управляющих импульсов с углом (3 на тиристоры инвертора происходит резкое снижение эквивалентного индуктивного сопротивления электровоза. Снижение эквивалентного сопротивления происходит из-за возникновения тока короткого замыкания, протекающего через коммутирующие тиристорные плечи инвертора и вторичные обмотки силового трансформатора электровоза.

Результатом этого является скачок принужденной составляющей напряжения контактной сети на токоприемнике на величину А(/и (см.

рис. 1) и возникновение высокочастотных коммутационных колебаний этого напряжения. Причиной появления этих колебаний является возникновение колебательного контура, который образован результирующей индуктивностью электровоза и контактной сети, а также емкостью контактной подвески относительно земли.

После окончания сетевой коммутации в момент перехода инвертора в режим проводимости (угол (3 — у) возникают подобные им по-слекоммутационные колебания. Данные колебания появляются вследствие увеличения принужденной составляющей напряжение контактной сети на токоприемнике на величину ДС/К из-за увеличения эквивалентного индуктивного сопротивления электровоза.

0

Рис. 1. Свободные колебания напряжения на токоприемнике электровоза (и^п - напряжение на шинах тяговой подстанции, - напряжение на токоприемнике электровоза)

После окончания сетевой коммутации в момент перехода инвертора в режим проводимости (угол Р — у) возникают подобные им по-слекоммутационные колебания. Данные колебания появляются вследствие увеличения принужденной составляющей напряжение

контактной сети на токоприемнике на величину АС/К из-за увеличения эквивалентного индуктивного сопротивления электровоза.

Одним из путей снижения амплитуд коммутационных и послекоммутационных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза является воздействие на протекание токов в преобразователе в процессе сетевой коммутации инвертора электровоза с помощью другого алгоритма управления. Как уже было сказано выше причина возникновения свободных колебаний напряжения на токоприемнике электровоза - резкий скачок принужденной составляющей напряжения в контактной сети, являющийся результатом короткого замыкания тока через коммутирующие тиристорные плечи инвертора электровоза и части секций вторичной обмотки тягового трансформатора электровоза.

Особенностью предлагаемого алгоритма управления инвертором является постепенное снижение принужденной составляющей напряжения на токоприемнике электровоза за счет поэтапного снижения его эквивалентного индуктивного сопротивления. На рис. 2 показана форма кривой напряжения в первичной обмотке тягового трансформатора электровоза, на которой видно, что принужденная составляющая напряжения снижается не так резко как при типовом алгоритме (см. на рис. 1 величину А!/н). а постепенно в два этапа: сначала на величину Д(/н|, а затем на А(/и2. Это позволяет снизить амплитуду свободных коммутационных колебаний, что приводит к снижению коэффициента искажения синусоидальности напряжения в первичной обмотке тягового

трансформатора электровоза, а значит и в контактной сети.

Проведенное математическое моделирование процессов работы инвертора электровоза в номинальном режиме на 4-ой зоне регулирования с типовым и предлагаемым алгоритмами управления показало, что коэффициент искажения синусоидальности напряжения сети с предлагаемым алгоритмом управления уменьшился на 21,24 % по сравнению с типовым. Это дает достаточно хорошее повышение качества электроэнергии в тяговой сети при работе электровоза в рекуперативном торможении.

0'

Рис. 2. Форма напряжения на токоприемнике электровоза при новом способе управления (и^П -напряжение на шинах тяговой подстанции, -напряжение на токоприемнике электровоза)

VS12Í

а

VS2

ТД0ЕГ|

Рис. 3. Схема протекания токов в инверторе электровоза во время сетевой коммутации на IV зоне регулирования напряжения инвертора с предлагаемым алгоритмом управления

Описание предлагаемого алгоритма на IV зоне регулирования напряжения

Пусть в полупериод питающего напряжения, обозначенный на рис. 3 пунктирной стрелкой, после фазовой коммутации ток инвертора протекал через плечи У84 и У87. В момент (3 подаются импульсы на тиристоры плеча У85. Тем самым образуется короткозамкнутый контур через секцию трансформатора 2-Х1 и тиристоры плеч У85 и У87. В тоже время за счет секции 12 инвертор продолжает работать в режиме проводимости. После окончания коммутации в контуре У85-У87 (после закрытия тиристора У87) подаются импульсы управления на тиристоры плеч У81 и У88. В результате этого образуется два короткозамкнутых контура, один из которых состоит из секций трансформатора а-1 и 1-2 и тиристорами плеч У81 и У85, второй - секциями 1-2 и 2-х1 и тиристорами плеч У84 и У88.

Под действием ЭДС двух секций вторичной обмотки коммутация в контуре У81-У85 заканчивается раньше, переводя в режим проводимости секцию трансформатора а-1. После за-

МА

крытия плеча У84 сетевая коммутация заканчивается.

Особенность данного алгоритма заключается в том, что при создании контура У85-У87 инвертор продолжает проводить ток через плечи У84 и У85, т.е. в момент начала коммутации не происходит полного закорачивания секций вторичной обмотки трансформатора. В результате этого в кривой выпрямленного напряжения добавляется дополнительный положительный участок соответствующий этому времени. При подаче импульсов на плечи У81 и У88 за-корачиватся все секции, что соответствует нулевому значению напряжения на инверторе. После закрытия У85 в кривой выпрямленного напряжения появляется отрицательная область соответствующая напряжению на секции а-1. После окончания сетевой коммутации выпрямленное напряжение равно суммарному напряжению всех секций, участвовавших в коммутации (рис.4). Такой порядок организации коммутации сглаживает кривую выпрямленного напряжения и сооветственно кривую первичного напряжения, что в свою очередь уменьшает амплитуду свободных колебаний.

n at

Рис. 4. Осциллограмма выпрямленного напряжения инвертора на IV зоне регулирования инвертора

с предлагаемым алгоритмом управления

Кроме этого, разнесение во времени одновременного участия в двух контурах коммутации секции 2-х1 позволяет избежать появления отрицательного напряжения на этой секции, возникающего за счет ЭДС самоиндукции от коммутационных токов. Это позволяет увеличить скорость протекания коммутации и при постоянном угле запаса уменьшить угол р. Процессы протекания коммутации на II и III зонах регулирования аналогичны процессам на ГУ зоне. Для примера на рис. 5 изображена

схема протекания токов в инверторе электровоза во время сетевой коммутации на III зоне.

В табл. 1 представлен предлагаемый алгоритм управления инвертором электровоза.

На рис. 6 и 7 представлены осциллограммы процессов моделирования работы инвертора на IV зоне регулирования с типовым (рис. 6) и предлагаемым (рис. 7) алгоритмами управления.

5!

VS2

Рис. 5. Схема протекания токов в инверторе электровоза во время сетевой коммутации на III зоне с предлагаемым алгоритмом управления

Предлагаемый алгоритм управления инвертором электровоза

Таблица 1

Зона Полупериод Плечи инвертора

регулирования VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 VS7 VS8

I —» - - Рр - - Рр - -

—— - - РР РР - -

II —» Рз - в Рр Рз - -

—— - Рз Рр в Рз - - -

III —» - - вз - в Рр - вз

—— - - - вз Рр в вз -

IV —» Рз - - Рр в - - вз

—— - Рз Рр - в вз -

Рис. 6. Осциллограммы кривых выпрямленного напряжения П и токов плеч 1, 2, 3, 4, 7, 8 инвертора, переменных напряжения СД и тока/1 в первичной обмотке тягового трансформатора при моделировании процессов работы инвертора на IV зоне регулирования с типовым алгоритмом управления при [3 — 53 эл.град.

w

я- * г- __ гГ" ** * >— ■Ь; г— .__

н с 2 1 '— == ас. 4 /V V с \ 1 ■ - == а,

1 д ¡г л V с А ¡/ т 1

1/ \ л \ и с 3

N л /с 6 \ 1 / и

\1 я — У 1 у/ 4 8 □Г

и с 4 л V с 5 I I А

Л 1\ \ \ 1 7

/ \ 1 к

1 \ V I / Г г

1 V А л 1 „Ч А л Г г

"Г р-* 1 — \

А J Д Л J д

л

\ и * к

\ с Г 31 V с Г

Г" 1—> / 1 N

I— ,__ __ —- |— ,__ —'

у г

- г1 Г 1

\ - - щ л. и.,

Ц-

— х

т

ДО тт "Л —s

1 тг V Ч-

Рис. 7. Осциллограммы кривых выпрямленного напряжения и токов плеч 1, 2, 3, 4, 7, 8 инвертора, переменных напряжения ( ] и тока/1 в первичной обмотке тягового трансформатора при моделировании процессов работы инвертора на IV зоне регулирования с предлагаемым алгоритмом управления при Р = 53 эл.град.

2500

2000 --

1500 --

1000 --

500 --

с-]

1 1 1 1 1 гь ■ 1 пт

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

номер гармоники

□ типовой алгоритм □ предлагаемый алгоритм

Рис. 8. Гармонический состав переменного напряжения на токоприемнике электровоза при работе инвертора в номинальном режиме с типовым и предлагаемым алгоритмами управления

0

Для оценки коэффициентов искажения синусоидальности напряжения в контактной сети при работе инвертора на IV зоне регулирования с типовым и предлагаемым алгоритмами был сделан анализ гармонического состава переменного напряжения на токоприемнике электровоза, работающего в номинальном режиме рекуперативного торможения. На рис. 8 представлен гармонический состав переменного напряжения на токоприемнике электровоза в

режиме рекуперативного торможения с типовым и предлагаемым алгоритмами управления инвертора.

Используя данные гармонического состава переменного напряжения были рассчитаны коэффициенты искажения синусоидальности напряжения для II - IV зон регулирования.. Сравнение этих коэффициентов в процентном отношении по зонам регулирования представлено в табл. 2.

Таблица 2

Снижение коэффициента искажения синусоидальности напряжения для II - IV зон регулирования при работе инвертора с предлагаемым алгоритмом управления

Зона регулирования Снижение коэффициента искажения Ku, %

II 21,67329366

III 12,42470876

IV 21,24316249

Таким образом, применение предлагаемого алгоритма управления инвертором электровоза на 2, 3 и 4-й зонах регулирования позволяет значительно уменьшить коэффициент искажения синусоидальности напряжения. Например для IV зоны регулирования коэффициент искажения синусоидальности напряжения сети с предлагаемым алгоритмом управления уменьшается на 21,24 % по сравнению с типовым.

Ключевые слова: электровоз переменного тока, рекуперативное торможение, выпрямительно-инвер-торный преобразователь, инвертор, свободные коммутационные и послекоммутационные колебания напряжения, качество электроэнергии в тяговой се-

ти, коэффициент искажения синусоидальности напряжения.

Ключовi слова: електровоз змшного струму, ре-куперативне гальмування, випрямно-шверторний перетворювач, швертор, в№ш комутацшш та тс-лякомутацшш коливання напруги, яшсть електрое-нерги в тяговш мереж1, коефщент спотворення си-нусощносп напруги.

Keywords: AC electric locomotive, regenerative braking, rectifier-inverter device, inverter, free of commutation and after commutation voltage fluctuations, power quality in the traction network, voltage total harmonic distortion.